«Технология бродильных производств и виноделие»

Вид материала

Методические рекомендации

Содержание Класс 1 – оксидоредуктазы Класс 2 – трансферазы. Класс 3 – гидролазы. Класс 4 – лиазы. Класс 5 – изомеразы. Класс 6 – лигазы

Подобный материал:

• Методические рекомендации по выполнению лабораторного и научно-исследовательского практикума, 952.7kb.
• Учебное пособие по дисциплине для студентов специальности 270500 «Технология бродильных, 1164.77kb.
• Учебно-методический комплекс для студентов дневной и заочной формы обучения по специальности, 1588.96kb.
• Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы и изучению дисциплины, 846.76kb.
• Отчет о результатах самообследования основной образовательной программы по специальностям:, 1627.98kb.
• Рабочая программа по дисциплине опд. Ф. 12 «Микробиология» направления 260200 Производство, 368.1kb.
• Методические указания «Вопросы к зачету лабораторных работ», 128.49kb.
• Учебное пособие по дисциплине для студентов специальностей 270500 «Технология бродильных, 2133.55kb.
• Н. Г. Осенний 2012 г. Расписание, 59.13kb.
• Прикладнаямеханика лекция, доц. Воложанинов С. С. 2/150, 47.06kb.

2.5 Ферменты

Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы, ускоряющие химические реакции в живых организмах.

Это вещества белковой природы (лат. «ферментум»  закваска), энзим (греч. «ен» – внутри, «зим» – закваска). Научное описание действия фермента дано в 1814 г. петербуржским ученым Кирхгофом.

Ферменты идеально приспособлены для работы в живой клетке; однако после выделения из организма они не теряют свои каталитические свойства. На этом основано практическое применение ферментов в виноделии, производстве соков, хлебопечении и других отраслях пищевой, легкой и химической промышленности.

По ряду признаков ферменты резко отличаются от неорганических катализаторов. При оптимальных условиях большинство ферментативных реакций протекает в 10⁸…10¹⁰ раз быстрее, чем те же реакции в отсутствии фермента. Круг реакций, катализируемых ферментами, чрезвычайно широк (гидролиз, перенос различных групп, дегидрирование, альдольная конденсация и др.). Активность ферментов в клетке строго регулируется и, наконец, биосинтез самих ферментов также катализируется ферментами.

В технологии наиболее широко применяют препараты свободных ферментов, и срок их использования составляет всего один производственный цикл. В последние 15…20 лет научились иммобилизировать (прикреплять) ферменты к поверхности различных твердых носителей (полиакриламид, пористое стекло, целлюлоза, найлон и др.), что позволило не только сохранить их каталитические свойства, но и в сотни, тысячи и даже миллионы раз повысить стабильность. Такие ферменты получили название иммобилизованные.

Иммобилизованные ферментные препараты обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с природными предшественниками: во-первых, их можно легко отделить от реакционной среды и использовать повторно; во-вторых, процесс можно вести непрерывно (в проточных колоннах) и, изменяя скорость потока, регулировать скорость каталитической реакции и выход продукта. Иммобилизованные ферменты успешно используют для получения глюкозы из крахмала, получения глюкозо-фруктозного сиропа и в ряде других крупнотоннажных производств. В России первое крупнотоннажное производство вступило в строй на Саранском заводе медпрепаратов в 1976 году (получение 6-аминопенициллановой кислоты, необходимой для синтеза некоторых антибиотиков). Источником для получения ферментов служат растительные и животные ткани, а также микроорганизмы. Выделение ферментов из этих объектов осуществляется теми же методами, что и любых белков, при этом особое внимание обращают на предотвращение денатурации.


2.5.1 Определение активности и количества ферментов


Количественное определение ферментов основано на трех основных принципах:

1) определение наименьшего количества фермента, которое действует на определение количества субстрата;

2) определение количества продуктов реакции, которое получено в данном процессе под влиянием фермента из данного количества субстрата;

3) определение активности фермента по действию его на субстрат за определенный промежуток времени.

Активность фермента определяется большим числом факторов:

1) количеством самого ферментного белка в клетке, т.е. уровнем его биосинтеза;

2) наличием факторов, изменяющих скорость ферментативных реакций, т.е. наличием субстратов, кофакторов, активаторов, ингибиторов, влиянием на конформацию апофермента, денатурирующим влиянием, метаболическим взаимопревращением фермента, величиной температуры, гидратации, рН, наличием электролитов и т.д.;

3) локализацией фермента, проницаемостью мембран, доступностью субстратов ферментативному воздействию, скоростью удаления продуктов ферментативной реакции.

Определение активности ферментов проводят в буферных растворах, имеющих значение рН, близкое к оптимальному для данного фермента, и при температуре в пределах от 25 до 40 °С (обычно 37 °С). За единицу активности фермента (Е) принимается такое его количество, которое катализирует превращения одного мкмоля субстрата в минуту при 25 °С в оптимальных условиях. Удельная активность ферментного препарата выражается числом единиц ферментативной активности в расчете на 1 мг белка, а концентрация фермента в растворе – числом этих единиц на 1 мл раствора.


2.5.2 Химическое строение ферментов


По химическому составу (строению) ферменты делятся на две большие группы: однокомпонентные (ферменты-протеины) и двухкомпонентные (ферменты-протеиды). К первым относят ферменты, состоящие только из белка, обладающего каталитическими свойствами, а ко вторым – ферменты, состоящие из белка и связанной с ним небелковой (добавочной) части, называемой еще активной группой. Непосредственным исполнителем каталитической функции в ферментах-протеи-дах является активная группа; белковая часть определяет специфичность процесса, т.е. она определяет реакцию, в которой примет участие присоединенная к ней активная группа. Эта группа небелковой природы – кофактор. В роли кофакторов могут выступать или ионы металлов, или сложные органические соединения, входящие как добавочная группа небелковой природы фермента-протеида. Фермент в целом получил название фермент-протеид, или симплекс, или холофермент; белковая часть получила название белковый компонент, или ферон (носитель), или апофермент; добавочная группа получила название простетическая группа, или агон (активная группа), или кофермент. Кофакторы – термостабильны.

Связывание кофакторов с ферментами характеризуется разной степенью сродства. Роль коферментов в ферментах-протеидах играют большинство витаминов (Q, B₁, B₂, B₃, B₅, B₆, B₁₂, H и др.) или соединения, построенные с участием витаминов (кофермент А, НАД, НАДФ, ФМН, ФАД). Наряду с витаминами функцию коферментов выполняют некоторые пептиды (HS-глутатион), а также многочисленная группа нуклеотидов и их производных (А, Г, У, Ц – нуклеотиды), в частности, АТФ, ФАФС (фосфоаденозинфосфат) – переносчик сульфатных групп, S-аденозилметионин – переносчик метильных групп, уридиндифосфат (УДФ) – переносчик гликозидных остатков и уроновых кислот, цитидипдифосфат (ЦДФ) – переносчик фосфохолина.

Коферментами могут быть фосфорные эфиры некоторых моносахаридов, липоевая кислота и др. Если в качестве кофактора выступают ионы металлов, они выполняют функцию мостика, связывающего фермент с субстратом в результате образования координационного комплекса, или непосредственно выполняют каталитическую функцию. Характерной особенностью фермент-протеидов является то, что ни белковая часть (апофермент), ни добавочная группа (кофермент) по отдельности не обладают каталитической активностью. Только их комплекс проявляет ферментативные свойства.


Непосредственным исполнителем каталитической функции ферментов-протеидов является добавочная группа (кофермент, простетическая группа, ионы металлов), но её действие невозможно без участия полипептидных фрагментов белковой части фермента, хотя специфичность процесса определяется белком, сам он в реакции непосредственно не участвует, а только опосредованно через связывание кофермента и субстрата. Один и тот же кофермент, присоединяясь к различным белкам, может катализировать совершенно различные процессы.
У фермент-протеинов каталитическую функцию выполняет часть белковой молекулы – активного (каталитического) центра, представляющего собой уникальное сочетание определенных аминокислотных остатков, входящих в состав полипептидной цепи фермента.

Активность фермент-протеинов зависит от структуры самого белка. Аминокислотные остатки, образующие активный центр фермент-протеина, расположены в различных точках единой полипептидной цепи. Поэтому активный центр формируется в тот момент, когда белковая молекула приобретает присущую ей третичную структуру, что приводит к пространственному совмещению функциональных групп, необходимых для катализа. Изменение третичной структуры белка–фермента может привести к деформации активного центра и к изменению каталитической активности. Кроме активного центра у фермента различают еще два: субстратный и аллостерический. Под субстратным центром понимают участок молекулы фермента, ответственный за присоединение вещества, подвергающегося ферментативному превращению (субстрата). Его можно сравнить с якорем, на который становится корабль-субстрат, поэтому его часто называют «якорной площадкой». Аллостерический центр – участок молекулы фермента, присоединение к которому определенного низкомолекулярного вещества ведет к изменению третичной структуры белковой молекулы, что ведет к изменению конфигурации активного центра, сопровождающегося увеличением или уменьшением каталитической активности фермента. Это явление лежит в основе аллостерической регуляции ферментативной активности.

У однокомпонентных ферментов роль активных групп выпол-няют определенные химические группировки белковой молекулы
(ОН-группы серина и тирозина, имидазольное кольцо гистидина, индольная группа триптофана, гуанидиновая группа аргинина, СООН-группы аспарагиновой и глутаминовой кислот, SH-группа цистеина и др.).

Большинство ферментов имеют относительную молекулярную массу свыше 50 тыс. и построены из нескольких протомеров (субъединиц). Например, фермент уреаза, имеющая М = 480 тыс., составлена из восьми протомеров с относительной молекулярной массой каждого по 60 тыс.; лактатдегидрогеназа (М ~ 140 тыс.) имеет четыре протомера (М = 35 тыс. каждого) и т.д. Ферменты, состоящие из нескольких протомеров, получили название ферментов-мультимеров.

Молекулы ферментов-мультимеров составлены из субъединиц двух типов, условно обозначим их А и B. В зависимости от соотношения протомеров типа A и B в мультимере, последний может существовать в виде нескольких изомеров, которые называют изозимами, или изоэнзимами, или изоферментами. Если фермент-мультимер состоит из четырех протомеров, то возможны пять изозимов: АААА, AAAB, AABB, ABBB, BBBB, которые при электрофорезе разделяются на пять фракций, отличающихся друг от друга по степени каталитической активности, содержанию гистидина и треонина, физико-химическим свойствам, локализации в органах и тканях организма одного вида и т.д. Следовательно, изоферменты  это разные формы одного и того же фермента, присутствующие в организмах одного биологического вида (например, в семенах различных сортов пшеницы обнаружено от семи до 10, в корнях кукурузы – от четырех до пяти, в различных органах гороха – от девяти до 12 изоферментов малатдегидрогеназы). Основным критерием для номенклатуры изоферментов принята их электрофоретическая подвижность. Множественные формы установлены у многих растительных ферментов: α- и β-амилаз, β-фруктофуранози-дазы (дрожжевой сахаразы), пероксидазы, глютаматдегидрогеназы, фосфорилазы и др.

В зависимости от возраста, физиологического состояния и других причин в организме устанавливается то или иное соотношение изозимов, которому способствует определенный уровень активности ферментов в целом.

Наряду с изоферментами в клетках организма имеются мультимолекулярные (надмолекулярные) ферментные комплексы (системы), представляющие собой не сочетание однотипных в каталитическом отношении протомеров, а разные ферменты, катализирующие последовательные ступени превращения какого-либо субстрата. Типичным примером мультиферментного комплекса является пируватдегидрогеназная система, катализирующая окисление.


2.5.3 Механизм действия ферментов


Реакция идет всегда в сторону уменьшения свободной энергии. Однако для начала реакции нужно преодолеть её энергетический барьер. Энергия, необходимая для запуска химической реакции, без которой реакция не начинается, несмотря на её термодинамическую вероятность, называется энергией активации. Она используется для преодоления энергетического барьера. В реакцию вступают лишь те молекулы, запас энергии которых превышает энергетический барьер данной реакции.

Чтобы повысить скорость химической реакции, необходимо снизить энергетический барьер реакции (понизить энергию активации молекул). Катализатор может снижать энергию активации (энергетический барьер). Для этого фермент соединяется с субстратом и образуется фермент-субстратный комплекс, в котором одновременно происходят два процесса:

– изменение электронной плотности комплекса, вызывающее поляризацию связей;

– геометрическая деформация (напряжение) отдельных связей как в молекуле субстрата, так и в активном центре фермента.

Поляризация и деформация связей способствует преодолению активационного барьера переходного состояния фермент-субстратного комплекса.

На первой фазе ферментативного катализа между субстратом и ферментом возникает соединение, в котором первый и второй связаны друг с другом ковалентной или иного типа связью.

На второй фазе субстрат под воздействием присоединенного к нему фермента становится доступнее для соответствующей химической реакции.

На третьей фазе происходит сама химическая реакция (на поверхности фермента), и, наконец, образовавшиеся продукты реакции освобождаются из фермента продуктами комплекса:

E + S « ES « ES¹ « EP ® E + P

или

E + S « ES ® P+ E,

где Е – фермент;

S – субстрат;

S¹ – активированный субстрат;

Р – продукт реакции.

Фермент связывается с субстратом в обратимой реакции (константы скоростей К₁ и К₂) с образованием фермент-субстратного комплекса. Последний распадается в реакции с константой скорости (К₃) на фермент и продукт реакции.

В процессе образования фермент-субстратного комплекса и на дальнейших фазах ферментативного катализа происходят неоднократные изменения третичной структуры фермента, приводящие к последовательному сближению с субстратом и ориентации в пространстве тех активных групп, которые взаимодействуют друг с другом на разных этапах преобразования субстрата.

Изучение влияния концентрации субстрата на скорость ферментативных реакций привело к установлению так называемой константы Михаэлиса (Кm).

Если скорость реакции при высоких концентрациях субстрата достигает некоторой максимальной величины, то концентрация субстрата [S], при которой V = V_max/2, называется константой Михаэлиса. Таким образом, константа Михаэлиса равна концентрации субстрата (моль/л), при которой скорость ферментативной реакции составляет половину от максимальной. Этот важный показатель в характеристике ферментов служит для приближенной оценки степени сродства фермента и субстрата. Низкое значение Km означает, что ферментативный катализ происходит интенсивно.

В основе теории Михаэлиса – Ментена лежит представление о том, что константа скорости распада фермент-субстратного комплекса на фермент и продукт реакции определяет скорость всех реакций. Общая скорость реакции равна произведению этой константы на концентрацию фермент-субстратного комплекса:

V = K₃ × (ES).

Скорость реакции зависит от концентрации субстрата и пропорциональна ей. С повышением концентрации субстрата пропорциональность нарушается и скорость реакции перестает зависеть от концентрации субстрата, а зависит только от концентрации фермента.

Ферментативные реакции всегда представляют собой катализ обратимых реакций. Направление реакции зависит от изменений энергий исходных и образующих веществ. Свойство фермента ускорять как прямую, так и обратную реакцию получило название обратимости действия фермента. В 1886 г. А.Я. Данилевский впервые доказал обратимость действия пепсина.

В живом организме расщепление и синтез катализируются в большинстве случаев разными ферментами, даже тогда, когда данный фермент способен ускорять реакцию в обоих направлениях. Синтез осуществляют ферменты, использующие энергию АТФ или аналогичного макроэргического соединения.


2.5.4 Свойства ферментов


4.5.4.1 Чувствительность к изменению рН среды

Для каждого фермента существует оптимальное значение рН среды. Большинство ферментов имеет максимальную активность в зоне рН вблизи изоэлектрической точки фермента. Влияние значения рН на каталитическую активность фермента состоит в воздействии на их активный центр, т.к. он может быть слабее или сильнее ионизирован, больше или меньше экранирован соседними с ним фрагментами полипептидной цепи белковой части фермента. Значение рН среды влияет также на степень ионизации субстрата, фермент-субстратного комплекса и продуктов реакции, определяет соотношение в ферменте катионных и анионных групп, что сказывается на третичной структуре молекулы.

4.5.4.2 Термолабильность

При высокой температуре происходит денатурация белка, а при оптимальных значениях температуры усиливается катализ. Температура, при которой каталитическая активность фермента максимальна, называется его температурным оптимумом.

4.5.4.3 Присутствие активаторов и ингибиторов

К числу активаторов относятся ионы многих металлов и некоторые анионы (Mg, Mn, Zn, K, Ko, анион – Cl^-).

Может наблюдаться ионный антагонизм:

Na⁺ – может действовать как конкурентный ингибитор при K⁺ -активировании. Антагонизм между ионами Mg²⁺ и Ca²⁺, Mn²⁺ и Zn²⁺. Некоторые ферменты активизируются ионами двух разных металлов: фосфофруктокиназа активизируется ионами Mg²⁺ и NH₄⁺ , а также ионами К⁺.

Активаторами ферментов могут служить и органические вещества:

• для липазы – желчегонные кислоты,
  
• протеазы – сульфигидрильные соединения, содержащие SH- группу, а также аскорбиновую кислоту.
  

Простые химические соединения действуют как аллостерические активаторы, они присоединяются по аллостерическому центру фермента и изменяют третичную структуру белковой молекулы.

Ингибиторы тормозят действие ферментов. Механизм ингибирования разнообразен и сводится к двум типам торможения: конкурентному и неконкурентному.


При конкурентном торможении ингибитор, обладающий структурным сходством с субстратом, соединяется с ферментом, подменяя собой субстрат, конкурируя с ним. Действие конкурентных ингибиторов может быть ослаблено или устранено путем увеличения концентрации субстрата.

При неконкурентном торможении ингибитор взаимодействует с апоферментом или простетической группой, связывая существенные для ферментативной активности, но не входящие в активный центр группировки, например, SH-группы. Неконкурентное ингибирование не может быть снято добавлением субстрата (соли тяжелых металлов Ag, Hg, свинца в малых концентрациях связывают сульфгидрильные группы ПЦФ, СО).

Ингибиторы ферментов встречаются в тканях организма. Действие ингибиторов может носить обратимый характер.

Многие мультиферментные системы обладают способностью автоматически поддерживать скорость ферментативной реакции.
В большинстве таких систем конечный продукт последовательных ферментативных реакций оказывает ингибирующее действие на первый фермент системы путем связывания с его аллостерическим центром, в результате чего скорость всего ферментативного процесса в целом определяется постоянной концентрацией конечного продукта.

Первый фермент такой мультиферментной системы называется регуляторным или аллостерическим ферментом, а ингибирующий метаболит  эффектором, или модулятором.

Регуляторный фермент может подвергаться действию не только отрицательного модулятора (вызывающего ингибирование), но и положительного модулятора. Таким положительным модулятором часто выступает субстрат данного регуляторного фермента.

4.5.4.4 Специфичность действия фермента

Специфичность действия фермента на определенный субстрат или же на определенный тип химических связей в молекуле:

• субстрат должен обладать специфической химической связью, которая может быть активирована ферментом;
  
• субстрат должен иметь еще одну или несколько функциональных групп, связывающихся с ферментом и ориентирующих субстрат относительно каталитического центра фермента. При этом конформация фермента несколько изменяется, что может приводить к напряжению в структуре субстрата, которое повышает его восприимчивость к действию каталитических групп фермента. Эти конформационные изменения называются индуцированным соответствием фермента субстрату.
  

Абсолютная специфичность  небольшие изменения в структуре вещества делают его недоступным для действия фермента.

Абсолютная групповая специфичность  действие фермента адаптировано к определенному типу химической реакции.

Относительная групповая специфичность  ферменты действуют на определенные связи, с помощью которых соединены отдельные части молекул, химическая структура роли не играет.


2.5.5 Номенклатура и классификация ферментов


При изучении номенклатуры и классификации ферментов обратите внимание на два типа названий этих соединений: тривиальные (рабочие) и систематические (научные). Причиной этому послужило длительное отсутствие четких требований к названию и классификации ферментов.

Исследователи, открывая новые ферменты, присваивали им названия по своему усмотрению, такие как папаин, пепсин, трипсин, химозин, каталаза, цитохромы и т.п. Многие ферменты названы путем добавления суффикса «аза» к латинскому или химическому названию субстрата (амилаза, сахараза, протеиназа, липаза и др.), или к названию типа катализируемой реакции (гидролаза, гидратаза, фосфорилаза, редуктаза, дегидрогеназа, оксидаза и т.п.), или к названию субстрата и типа катализируемой реакции (алкогольдегидрогеназа, аминотрансфераза, пируватдекарбоксилаза и т.п.). Названия, данные ферментам по перечисленным признакам, прочно вошли в практику, стали общеупотребляемыми и их обозначили как тривиальные (рабочие).

Новая (систематическая) классификация и номенклатура ферментов была разработана Комиссией по ферментам Международного биохимического конгресса в 1961 г. в Москве. По этой классификации ферменты в зависимости от типа катализируемой реакции разделили на шесть главных классов, каждый из которых, в свою очередь, подразделили на подклассы и подподклассы, более точно характеризующие реакцию.

Согласно новой классификации каждый фермент имеет систематическое название, тривиальное (рабочее) название и шифр (идентификационный номер, кодовое число). Систематические названия ферментов используют в научных статьях, обзорах, указателях, рефератах; тривиальные – в повседневной практике. Перед шифром поставлены буквы КФ. Шифр каждого фермента содержит четыре числа, разделенных точками, и составляется по следующему принципу.


Первое число указывает, к какому из шести классов списка ферментов принадлежит данный фермент: к 1) к оксидоредуктазам;
2) трансферазам; 3) гидролазам; 4) лиазам; 5) изомеразам; 6) лигазам (синтетазам).

Второе число обозначает подкласс. У оксидоредуктаз оно указывает природу группы в молекуле донора, подвергающуюся окислению; у трансфераз – природу транспортируемой группы (одноуглеродные, альдегидные и др.); у гидролаз – тип гидролизуемой связи; у лиаз – тип связи, подвергающейся разрыву (между окисляемой группой и остатком молекулы); у изомераз – тип катализируемой реакции изомеризации; у лигаз – тип вновь образуемой связи.

Третье число обозначает подподкласс. У оксидоредуктаз оно указывает для каждой группы доноров тип участвующего в реакции акцептора; у трансфераз – тип транспортируемой группы (например, является ли одноуглеродная группа метилом или карбоксилом). У гидролаз это число уточняет тип гидролизуемой связи (сложноэфирная связь тиоловых эфиров, фосфомоноэфиров и т.п.), а у лиаз – тип отщепляемой группы. У изомераз оно уточняет характер превращения субстрата, а у лигаз – природу образующегося соединения.

Четвертое число обозначает порядковый номер фермента в данном подподклассе. Например, пируватдекарбоксилаза – фермент, катализирующий расщепление пировиноградной кислоты на СО₂ и уксусный альдегид, по этой системе имеет шифр КФ 4.1.1.1. Это означает, что она относится к четвертому классу (лиазы) первому подклассу (углерод-углерод лиазы), первому подподклассу (карбокси-лиазы) и в списке этого подподкласса значится под № 1.

Ознакомьтесь со всеми классами, важнейшими подклассами и отдельными ферментами.

Класс 1 – оксидоредуктазы (дегидрогеназы, трансидрогеназы, гидроксилазы). Они подразделяются на 14 групп, катализируют окислительно-восстановительные реакции (окисление  это процесс отнятия протонов (электронов) от субстрата, а восстановление – присоединение протонов (электронов) к акцептору).

Окидоредуктазы в живой клетке образуют системы, в которых осуществляется многоступенчатый перенос атомов водорода или электронов от первичного субстрата к конечному акцептору, которым является, как правило, кислород. В конце концов, атомы водорода переносятся на кислород и образуется вода.

Ферменты, которые переносят атомы водорода или электроны непосредственно на кислородные атомы, называются аэробными дегидрогеназами или оксидазами, а те, которые переносят атомы водорода и электроны по цепи без передачи на кислород, называются анаэробными дегидрогеназами.

Если фермент катализирует реакцию снятия водорода непосредственно от первичного субстрата, то его называют первичной дегидрогеназой.

Если фермент ускоряет снятие водородных атомов со вторичного субстрата, который получил атомы водорода при посредстве первичной дегидрогеназы, он называется вторичной дегидрогеназой.

Класс 2 – трансферазы. Они ускоряют реакции переноса атомных групп и молекулярных остатков; их около 200, подразделяемых на группы: фосфо-, амино-, гликозил-, ацетил-.

Трансферазы, переносящие одноуглеродные остатки: метил-формил-.

Фосфотрансферазы (киназы) ускоряют реакцию переноса остатка фосфорной кислоты, обеспечивая превращение ряда органических соединений в фосфорные эфиры. Перенос фосфатных групп происходит на спиртовые, карбоксильные, азотистые, фосфоросодержащие и другие группы. Донором фосфатных остатков обычно является АТФ. АТФ рассматривают как кофермент фосфотрансфераз.

Аминотрансферазы ускоряют реакцию переамирования аминокислот с кетокислотами, то есть перенос аминогрупп (-NH₂) с аминокислот на кетокислоты. Простетической группой служит пиридоксальфосфат, связанный с различными по составу белковыми частями (апоферментами).

Гликозилтрансферазы ускоряют реакции переноса гликозидных остатков от молекул фосфорных эфиров и других соединений к молекулам моно- и полисахаридов или иных веществ. Расщепление гликозидных связей путем присоединения остатков фосфорной кислоты называется фосфоролизом.

Класс 3 – гидролазы. Они ускоряют реакции расщепления (иногда и синтеза) органических соединений при участии воды, их девять групп.

Эстеразы ускоряют реакции гидролиза и синтеза сложных эфиров. Ведущую роль в каталитической активности эстераз играют радикалы дикарбоновых кислот, серина, гистидина и тирозина, сосредоточенных в активном центре фермента. Важнейшими подгруппами эстераз являются следующие.

Карбоксилэстеразы гидролизуют сложные эфиры органических кислот (липазы).

Фосфатазы (фосфоэстеразы) катализируют гидролиз фосфорных эфиров.

Сульфоэстеразы гидролизуют сложные эфиры серной кислоты.

Тиоэстеразы гидролизуют сложные эфиры органических кислот и тиоспиртов.

Гликозидазы ускоряют реакцию гидролиза гликозидов олиго- и полисахаридов. Различают a- и b-гликозиды (амилазы, сахароза, мальтоза).

Пептидгидролазы (пептидазы) – ускоряют гидролиз пептидных связей, а также их синтез:

R₁ - CO - NH - R₂ + H₂O ® R₁ - COOH + R₂ - NH₂.

Экзопептидазы катализируют гидролиз до свободных аминокислот, бывают трех видов:

1) аминопептидазы отщепляют аминокислоту от пептида, начиная с аминокислоты, обладающей свободной аминогруппой;

2) карбокпептидазы отщепляют аминокислоту от пептида, начиная с аминокислоты, обладающей свободной карбоксильной группой;

3) дипептидазы ускоряют гидролиз дипептидов.

Амидазы (аминогидролазы) ускоряют гидролиз амидов кислот (уреазы, аспарагиназы, глутаминазы).

Класс 4 – лиазы. Это класс ферментов, катализирующий негидролитические реакции распада органических соединений по связям
С-С, C-N, C-O и т.д. При этом часто замыкаются двойные связи и выделяются простые продукты – CO₂, H₂O, NH₃ и т.д. Некоторые реакции обратимы, т.е. фермент катализирует и синтез. Класс включает девять групп.

Одной из важнейших групп ферментов этого класса являются углерод-углерод-лиазы (декарбоксилазы). Декарбоксилазы являются фермент-протеидами, простетическая группа которых представлена фосфорными эфирами водорастворимых витаминов: тиамина (В₁) в карбоксилазах кетокислот и пиридоксаля (В₆) в карбоксилазах аминокислот.

Характерным представителем углерод-углерод-лиаз является альдолаза, относящаяся к альдегид-лиазам и катализирующая обратимую реакцию расщепления фруктозодифосфата до фосфотриоз.

Углерод-кислород-лиазы (гидролиазы) ускоряют реакции гидратирования и дегидрирования органических соединений (фумаратгидролиаза).

Представителем следующей группы лиаз – углерод-азот-лиазы может служить аспарат-аммиак-лиаза, ускоряющая реакцию прямого дезаминирования аспарагиновой кислоты. Некоторые лиазы ускоряют реакции не только распада, но и синтеза. Они получили название синтаз (серингидролиаза, цитратсинтаза).

Класс 5 – изомеразы. Они ускоряют процессы высокомолекулярных превращений, состоящие во внутримолекулярном переносе водорода, фосфатных и ацильных групп, в изменении пространственного расположения атомных группировок, в перемещении двойных связей и т.д. Класс изомераз включает девять групп, важнейшими из которых являются триозофосфатизомераза, фосфоглицератфосфомутаза.

Класс 6 – лигазы (синтетазы). Они ускоряют синтез органических веществ, сопряженный с распадом донаторов энергии для осуществления биосинтетического процесса. Одним из таких природных донаторов является (АТФ). Этот класс включает семь групп. Механизм действия лигаз весьма сложен и изучен не до конца.

Лигазы катализируют образование связей С-N, C-O, C-C, C-S.
В частности, лигазам, катализирующим синтез C-O–связей принадлежит важнейшая роль в биосинтезе белков, так как они ускоряют реакцию активирования аминокислот перед вступлением их в пептидную связь (образование аминоациладенилата).


2.5.6 Вопросы для самопроверки


1. Что такое ферменты? Какова их роль в живом организме и промышленности? Иммобилизованные ферменты.

2. Методы выделения и очистки ферментов. Единицы активности ферментов.

3. Каковы химическая природа и строение ферментов? Коферменты и простетические группы, их строение.

4. Что такое активный центр ферментов? Каков принцип его организации у одно- и двухкомпонентных ферментов?

5. В чем заключается специфичность действия ферментов? Назовите виды специфичности и приведите примеры.

6. Как зависит активность ферментов от значения рН и температуры? Назовите оптимальные значения рН и температуры для отдельных ферментов.

7. Как зависит скорость ферментативной реакции от количества субстрата и фермента? Константа Михаэлиса.

8. Каков механизм действия ферментов? Обратимость действия.

9. Что такое активаторы и ингибиторы ферментов? Каков механизм их действия?

10. Номенклатура и классификация ферментов. Назовите классы ферментов и типы катализируемых ими реакций.

11. Каковы строение и роль в обмене пиридинзависимых (анаэробных) и флавинзависимых (аэробных) дегидрогеназ?

12. К какому классу относятся и как называются ферменты, катализирующие гидролиз белков, жиров, углеводов?

13. Назовите различия между лиазами, лигазами, изомеразами, трансферазами.

14. Приведите примеры однокомпонентных и двухкомпонентных ферментов.